WO2014135796A2 - Module electronique de puissance, procede de fabrication d'un tel module et machine electrique tournante de vehicule automobile le comprenant - Google Patents

Module electronique de puissance, procede de fabrication d'un tel module et machine electrique tournante de vehicule automobile le comprenant Download PDF

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    • H02K15/12—Impregnating, heating or drying of windings, stators, rotors or machines

Definitions

  • the present invention relates to an electronic power module and its method of manufacture. It also relates to a rotating electric machine of a motor vehicle comprising this electronic power module. BACKGROUND ART OF THE INVENTION.
  • one or more electronic power modules control the currents and voltages applied.
  • a common equipment of a motor vehicle is constituted by a reversible rotary electric machine, that is to say which is able to function as a generator and charge a battery when it is coupled to the engine of the vehicle, and operate in engine for starting, or providing additional mechanical power, when powered by the on-board electrical network.
  • a rotor comprising permanent magnets and / or an inductor into which an excitation current is supplied;
  • a stator comprising phase windings in which phase currents flow.
  • an excitation module constituting a regulator brush holder controlling the excitation current
  • the modules in the form of housings externally provided with connection elements, are arranged on the rear bearing of the alternator-starter.
  • the housings contain electronic components, in particular, most often, power transistors of the MOSFET type, connected to one another by traces of power constituted by a cut sheet, in particular copper.
  • the power traces have ends which are all arranged in the vicinity of a first face of the housing.
  • the ends of the phase traces are external to the housing and are shaped to fit the ends of the phase windings.
  • the ends of the power tracks in the form of blades bent at right angles, protrude outside the housing for their electrical connection with the outside of the module.
  • Filler material such as an epoxy resin or a silicone gel, or the like, fills the free interior space of the housing around the power components.
  • the present invention therefore aims to design an electronic power module comprising electronic components arranged in a housing and external connection elements comprising at least one trace of power, capable of being electrically connected to a power conductor of a circuit of power of a rotating electrical machine, so as to provide a solution to the problem of congestion mentioned above.
  • this electronic power module is remarkable in that its housing and at least one element of a device for measuring an intensity of a current flowing in the power trace form a monobloc assembly.
  • This element of the measuring device is advantageously a magnetic circuit, preferably made of ferrite.
  • this magnetic circuit is preferably able to surround the power conductor of the rotating electrical machine.
  • this magnetic circuit preferably surrounds the power trace of the power electronic module.
  • the magnetic circuit is advantageously of annular shape, or, alternatively, of rectangular shape.
  • this magnetic circuit comprises a slot adapted to receive a Hall effect sensor.
  • the housing, the magnetic circuit and this Hall effect sensor form the monobloc assembly of the electronic power module.
  • the Hall effect sensor is then advantageously welded to an electronic board internal to the housing.
  • the invention also relates to a method of manufacturing an electronic power module having the characteristics above remarkable in that the one-piece assembly is made by overmolding.
  • Figure 1 shows a rear bearing of an alternator-starter comprising three electronic power modules, of the type concerned by the invention, known from the state of the art.
  • FIGS 2a and 2b show in detail two examples of power electronic modules known from the state of the art.
  • Figures 3a and 3b show the details of a first and second embodiments of an electronic power module according to the invention.
  • an electronic power module comprises electronic components which are arranged in a housing and connection elements accessible from the outside for its operation, these connection elements allowing the transmission of control signals and the circulation of strong currents.
  • Figure 1 shows power electronic modules 1, 2 of this type arranged on the rear bearing 3 of the three-phase starter-alternator of the state of the art mentioned above.
  • This rear bearing 3 comprises three power modules 1 managing the phase currents and an excitation module 2 controlling the excitation current of the electric machine operating as a generator.
  • Each electronic power module 1, 2 comprises:
  • FIG. 2a shows in detail a power module 1 of the rear bearing of FIG. 1, whose housing 4 is open, with the internal electronic components 8 interconnected by a trace circuit 9.
  • a power trace 10 extending externally to the housing 4 comprises, in this first example, a first end 1 1 in the form of a hook for connecting, by welding, brazing or any other suitable method, a phase wire from the stator of the electric machine.
  • FIG. 2b A second example of a power electronics module 1, 2 known from the state of the art is shown in FIG. 2b.
  • a power trace 10 extending outside the general envelope of the power module 1 comprises a second end 12 in the form of a tab perpendicular to the plane of the trace circuit 9 for connecting, by welding, brazing or any other suitable method, a phase tab 13 from the stator of the electric machine.
  • the inventive entity has integrated this measuring device in the power module 1, while limiting the impact on the volume of the complete system and also on the integration of the PCB.
  • At least one element of the measuring device 14, 16, 17 of the intensity of the current flowing in the phase trace 10 of the power module 1 forms with the housing 4 a one-piece assembly.
  • a first ferrite ring-shaped magnetic circuit 14 is arranged close to the housing 4 opposite the end 12 forming a trace lug. of power 10.
  • the ring 14 has a radial slot 15 adapted to receive a Hall effect sensor 16 whose signals are processed by an appropriate electronic circuit of the "ASIC" type integrated in the housing 4 so as to provide a measurement of the current intensity. flowing in the phase circuit 13, 12, 10.
  • a second magnetic circuit 17 of rectangular ferrite shape is arranged near the housing 4 by surrounding the power trace 10 between the leg end 12 and the casing 4.
  • the Hall effect sensor 16 arranged in the slot 15 constituting a continuity solution of the second magnetic circuit 17 is connected to the ASIC 8 integrated in the housing 4 which processes the sensor signals and provides the intensity measurement. required.
  • the one-piece assembly consisting of the housing 4, the first or second magnetic circuit 14, 17 and the Hall effect sensor 16 is formed by overmolding these components.
  • first and second magnetic circuits 14, 17 shown are only examples: different magnetic circuits could be more suitable for other configurations of power modules 1, power traces 10 or ends 13 of the phase windings.

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Abstract

Le module électronique de puissance selon l'invention comporte des composants électroniques (8) disposés dans un boîtier (4) et des éléments de connexion extérieurs (10, 12) comprenant au moins une trace de puissance (10) apte à être reliée électriquement à un conducteur de puissance d'un circuit de puissance d'une machine électrique tournante. Conformément à l'invention, le boîtier et au moins un élément d'un dispositif de mesure (16, 17) d'une intensité d'un courant circulant dans la trace de puissance (10) forment un ensemble monobloc. Selon des caractéristiques particulières, l'élément susmentionné du dispositif de mesure (16, 17) est un circuit magnétique. Avantageusement, ce circuit magnétique est constitué de ferrite et entoure le conducteur de puissance (13).

Description

MODULE ELECTRONIQUE DE PUISSANCE, PROCEDE DE FABRICATION D'UN TEL MODULE ET MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE DE VEHICULE AUTOMOBILE LE COMPRENANT DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION.
La présente invention concerne un module électronique de puissance et son procédé de fabrication. Elle concerne également une machine électrique tournante de véhicule automobile comprenant ce module électronique de puissance. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION.
L'électronique de puissance a remplacé de nos jours les moyens électromécaniques d'autrefois pour l'alimentation électrique et le contrôle des machines électriques tournantes modernes.
Que ce soit des machines électriques tournantes monophasées ou polyphasées, synchrones ou asynchrones, fonctionnant en moteur ou en générateur, un ou plusieurs modules électroniques de puissance contrôlent les courants et les tensions appliqués.
Un équipement courant d'un véhicule automobile est constitué par une machine électrique tournante réversible, c'est-à-dire qui est apte à fonctionner en génératrice et à charger une batterie quand elle est couplée au moteur thermique du véhicule, et à fonctionner en moteur pour le démarrage, ou la fourniture d'un surcroît de puissance mécanique, quand elle est alimentée par le réseau électrique de bord.
Cette machine, dite "alterno-démarreur" comporte le plus souvent:
- un rotor comprenant des aimants permanents et/ ou un inducteur dans lequel est amené un courant d'excitation;
- un stator comprenant des enroulements de phases dans lesquels circulent des courants de phases.
La demande de brevet FR2886506 de la société VALEO EQUIPEMENTS ELECTRIQUES MOTEUR décrit de façon extrêmement détaillée la mécatronique d'un alterno-démarreur triphasé:
- un module d'excitation constituant un porte-balais régulateur contrôlant le courant d'excitation;
- trois modules de puissance générant les courants de phases en mode moteur ou redressant les courants de phase en mode alternateur; - un module de commande du module d'excitation et des modules de puissance.
Les modules, se présentant sous la forme de boîtiers munis extérieurement d'éléments de connexion, sont agencés sur le palier arrière de l'alterno-démarreur.
Les boîtiers contiennent des composants électroniques, notamment, le plus souvent, des transistors de puissance de type MOSFET, reliés entre eux par des trace de puissance constituées par une tôle découpée, notamment de cuivre.
Dans cet exemple de modules de puissance, les traces de puissance comportent des extrémités qui sont toutes disposées au voisinage d'une première face du boîtier.
Les extrémités des traces de phases sont extérieures au boîtier et sont conformées de manière à s'adapter aux extrémités des enroulements de phases.
La demande de brevet EP2536261 , également de la société VALEO EQUIPEMENTS ELECTRIQUES MOTEUR, décrit un autre exemple très récent de module de puissance, mettant en œuvre cette même technique des traces de puissance permettant la circulation de courants d'intensité élevée, connue sous l'acronyme IML (pour Insulated Molded Leadframe en anglais, ou Grille de connexion moulée isolée).
Les extrémités des traces de puissance, en forme de lames pliées à angle droit, font saillie à l'extérieur du boîtier pour leur raccordement électrique avec l'extérieur du module.
Un matériau de remplissage, tel qu'une résine époxy ou un gel de silicone, ou analogue, emplit l'espace intérieur libre du boîtier autour des composants de puissance.
De nouveaux perfectionnements apportés aux alterno-démarreurs par l'entité inventive imposent de mesurer le courant dans chaque phase.
Cette mesure n'est pas effectuée par les modules de puissance connus de l'état de la technique, même les plus récents comme le montrent les exemples ci- dessus.
La mise en œuvre d'un dispositif de mesure de l'intensité du courant, tel qu'un capteur à effet Hall à proximité du conducteur de chaque phase, bien connu en soi, a posé à l'entité inventive un problème d'encombrement, car on doit mettre en place un capteur par phase. C'est ce problème que l'entité inventive a cherché à résoudre. DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION.
La présente invention vise donc la conception d'un module électronique de puissance comportant des composants électroniques disposés dans un boîtier et des éléments de connexion extérieurs comprenant au moins une trace de puissance, apte à être reliée électriquement à un conducteur de puissance d'un circuit de puissance d'une machine électrique tournante, de manière à apporter une solution au problème d'encombrement évoqué ci-dessus.
Dans un mode de réalisation général de l'invention, ce module électronique de puissance est remarquable en ce que son boîtier et au moins un élément d'un dispositif de mesure d'une intensité d'un courant circulant dans la trace de puissance forment un ensemble monobloc.
Cet élément du dispositif de mesure est avantageusement un circuit magnétique, constitué de préférence de ferrite.
Dans un premier mode réalisation particulier de l'invention, ce circuit magnétique est de préférence apte à entourer le conducteur de puissance de la machine électrique tournante.
Dans un second mode réalisation particulier de l'invention, ce circuit magnétique entoure de préférence la trace de puissance du module électronique de puissance.
Selon l'invention, le circuit magnétique est avantageusement de forme annulaire, ou, alternativement, de forme rectangulaire.
De préférence ce circuit magnétique comporte une fente apte à recevoir un capteur à effet Hall.
Dans ce cas, on tire bénéfice du fait que le boîtier, le circuit magnétique et ce capteur à effet Hall forment l'ensemble monobloc du module électronique de puissance.
Le capteur à effet Hall est alors avantageusement soudé sur une carte électronique interne au boîtier.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un module électronique de puissance présentant les caractéristiques ci-dessus remarquable en ce que l'ensemble monobloc est réalisé par surmoulage.
Il va de soi qu'une machine électrique tournante de véhicule automobile tirera bénéfice de l'intégration d'un tel module électronique de puissance. Ces quelques spécifications essentielles auront rendu évidents pour l'homme de métier les avantages apportés par ce module électronique de puissance par rapport à l'état de la technique antérieur.
Les spécifications détaillées de l'invention sont données dans la description qui suit en liaison avec les dessins ci-annexés. Il est à noter que ces dessins n'ont d'autre but que d'illustrer le texte de la description et ne constituent en aucune sorte une limitation de la portée de l'invention.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS.
La Figure 1 montre un palier arrière d'un alterno-démarreur comportant trois modules électroniques de puissance, du type concerné par l'invention, connus de l'état de la technique.
Les Figures 2a et 2b montrent de manière détaillée deux exemples de modules électroniques de puissance connus de l'état de la technique.
Les Figures 3a et 3b montrent les détails d'un premier et second modes de réalisation d'un module électronique de puissance selon l'invention.
DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES DE L'INVENTION.
Dans le cadre de la présente invention, un module électronique de puissance comporte des composants électroniques qui sont disposés dans un boîtier et des éléments de connexion accessibles de l'extérieur pour son fonctionnement, ces éléments de connexion permettant la transmission de signaux de contrôle et la circulation de courants forts.
La Figure 1 montre des modules électroniques de puissance 1 , 2 de ce type agencés sur le palier arrière 3 de l'alterno-démarreur triphasé de l'état de la technique mentionné ci-dessus.
Ce palier arrière 3 comporte trois modules de puissance 1 gérant les courants de phases et un module d'excitation 2 contrôlant le courant d'excitation de la machine électrique fonctionnant en génératrice.
Chaque module électronique de puissance 1 , 2 comprend:
- un boîtier 4;
- des connecteurs de puissance 5 (permettant des raccordements électriques aux pôles positif et négatif de la batterie de bord);
- des connecteurs de signaux 6 (permettant des liaisons électriques avec le module dé commande); - des points de fixation 7 sur la carcasse de la machine.
La Figure 2a montre en détail un module de puissance 1 du palier arrière de la Figure 1 , dont le boîtier 4 est ouvert, avec les composants électroniques intérieurs 8 reliés entre eux par un circuit de traces 9.
Une trace de puissance 10 s'étendant extérieurement au boîtier 4, comporte, dans ce premier exemple, une première extrémité 1 1 en forme de crochet permettant de connecter, par soudage, brasage ou tout autre procédé adapté, un fil de phase provenant du stator de la machine électrique.
Un second exemple de module électronique de puissance 1 , 2 connu de l'état de la technique est montré sur la Figure 2b.
Dans ce second exemple, une trace de puissance 10 s'étendant en dehors de l'enveloppe générale du module de puissance 1 , comporte une seconde extrémité 12 en forme de patte perpendiculaire au plan du circuit de traces 9 permettant de connecter, par soudage, brasage ou tout autre procédé adapté, une languette de phase 13 provenant du stator de la machine électrique.
Afin de résoudre le problème d'encombrement posé par l'ajout d'un dispositif de mesure du courant de chaque phase, exposé en préambule, l'entité inventive a intégré ce dispositif de mesure dans le module de puissance 1 , tout en limitant l'impact sur le volume du système complet et aussi sur l'intégration du PCB.
Pour ce faire, au moins un élément du dispositif de mesure 14, 16, 17 de l'intensité du courant circulant dans la trace de phase 10 du module de puissance 1 forme avec le boîtier 4 un ensemble monobloc.
Dans un premier mode de réalisation préféré de l'invention montré sur la Figure 3a, un premier circuit magnétique 14 de forme annulaire en ferrite est agencé à proximité du boîtier 4 en vis-à-vis de l'extrémité 12 formant patte de la trace de puissance 10.
Un axe de révolution de cet anneau 14, de section radiale rectangulaire, est parallèle à un axe de symétrie longitudinal de la patte 12 de manière à ce que la languette de phase 13 soit située au centre de l'anneau 14 après raccordement avec la trace de puissance 10.
L'anneau 14 comporte une fente radiale 15 apte à recevoir un capteur à effet Hall 16 dont les signaux sont traités par un circuit électronique approprié de type "ASIC" intégré dans le boîtier 4 de façon à fournir une mesure de l'intensité du courant circulant dans le circuit de phase 13, 12, 10. Dans un second mode de réalisation préféré de l'invention montré sur la Figure 3b, un second circuit magnétique 17 de forme rectangulaire en ferrite est agencé à proximité du boîtier 4 en entourant la trace de puissance 10 entre l'extrémité 12 formant patte et le boîtier 4.
Le capteur à effet Hall 16 agencé dans la fente 15, constituant une solution de continuité du second circuit magnétique 17, est relié à l'ASIC 8 intégré dans le boîtier 4 qui assure le traitement des signaux du capteur et fournit la mesure d'intensité requise.
L'ensemble monobloc constitué par le boîtier 4, le premier ou second circuit magnétique 14, 17 et le capteur à effet Hall 16 est formé par surmoulage de ces constituants.
Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seuls modes d'exécution préférentiels décrits ci-dessus.
Notamment, la forme, la section et le matériau des premier et second circuits magnétiques 14, 17 indiqués ne sont que des exemples: des circuits magnétiques différents pourraient être plus adaptés à d'autres configurations de modules de puissance 1 , de traces de puissance 10 ou des extrémités 13 des enroulements de phases.
Enfin, des procédés de réalisation du module électronique de puissance selon l'invention différents du surmoulage existent, notamment par résinage du circuit magnétique 14, 17 après mise en position de celui-ci.
L'invention embrasse donc toutes les variantes possibles de réalisation dans la mesure où ces variantes restent dans le cadre défini par les revendications ci- après.

Claims

REVENDICATIONS
1) Module électronique de puissance (1 , 2) comportant des composants électroniques (8) disposés dans un boîtier (4) et des éléments de connexion extérieurs (10, 1 1 , 12) comprenant au moins une trace de puissance (10) apte à être reliée électriquement à un conducteur de puissance (13) d'un circuit de puissance d'une machine électrique tournante, caractérisé en ce que ledit boîtier (4) et au moins un élément d'un dispositif de mesure (14, 16, 17) d'une intensité d'un courant circulant dans ladite trace de puissance (10) forment un ensemble monobloc.
2) Module électronique de puissance (1 , 2) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit élément dudit dispositif de mesure (14, 16, 17) est un circuit magnétique (14, 17).
3) Module électronique de puissance (1 , 2) selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit circuit magnétique (14, 17) est constitué de ferrite.
4) Module électronique de puissance (1 , 2) selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit circuit magnétique (14) est apte à entourer ledit conducteur de puissance (13).
5) Module électronique de puissance selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit circuit magnétique (17) entoure ladite trace de puissance (10).
6) Module électronique de puissance selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que ledit circuit magnétique (14) est de forme annulaire. 7) Module électronique de puissance selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que ledit circuit magnétique (17) est de forme rectangulaire. 8) Module électronique de puissance selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que ledit circuit magnétique (14, 17) comporte une fente (15) apte à recevoir un capteur à effet Hall (16). 9) Module électronique de puissance (1 , 2) selon la revendication 8 précédente, caractérisé en ce que ledit boîtier (4), ledit circuit magnétique (14, 17) et ledit capteur à effet Hall (16) forment ledit ensemble monobloc.
10) Module électronique de puissance (1 , 2) selon la revendication 9 précédente, caractérisé en ce que ledit capteur à effet Hall (16) est soudé sur une carte électronique interne audit boîtier (4).
11) Procédé de fabrication d'un module électronique de puissance (1 , 2) selon l'une quelconque de revendications 1 à 10 précédentes, caractérisée en ce que ledit ensemble monobloc est réalisé par surmoulage.
12) Machine électrique tournante de véhicule automobile comprenant un module électronique de puissance (1 , 2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 1 1 précédentes.
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